面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤技術探析

羅來曦 朱漁

摘 要：眼動跟蹤技術作為人機交互方式的重要補充，其可有效提升用戶的沉浸感，對于解決虛擬現實頭盔中的諸多技術問題具有十分重要的意義。現階段面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤技術的研究仍處于起步階段，因此，文章面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤系統設計構建了虛擬現實硬件平臺、眼動跟蹤軟件模塊及圖像采集硬件模塊，有效提升了虛擬現實頭盔的實用性。

關鍵詞：虛擬現實頭盔;眼動跟蹤技術;眼圖處理模塊;視線估計模塊

0 引言

眼球的運動直觀反映了個體的思維活動，通過追蹤眼球運動可實現個體思考模式與感知能力的分析。在虛擬現實環境下，個體往往會因方向感的缺失而產生不適感，繼而對沉浸式體驗過程造成不良影響，為了解決這一問題，開發者通常會以小地圖、箭頭、覆蓋路徑等方式為用戶提供導航，但又不可避免地導致顯示器可見范圍被占用。為了解決這一問題，開發人員試圖利用眼動跟蹤技術的引入分析用戶眼動數據，繼而預測其對導航的需求，為用戶提供自適應輔助導航功能。因此，本文重點面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤技術進行研究，以期提升虛擬現實頭盔的用戶體驗。

1 ? 眼動跟蹤對虛擬現實頭盔的意義

眼動跟蹤技術是虛擬現實頭盔中關鍵的技術之一，其不僅有助于提升VR世界的視覺廣度，緩解用戶肢體疲勞，還可提升注視點分辨率，及時響應環境感知，強化人機交互效果。

1.1 ?緩解用戶肢體疲勞

現階段，虛擬現實頭盔因技術的局限性仍較為笨重，用戶佩戴與交互操作過程中需要借助一系列肢體動作，如通過操作手柄選擇虛擬菜單、以手持續滑動虛擬界面等，這無疑對用戶體驗感造成了極大影響。而眼動跟蹤技術的引入解放了用戶的雙手，很多疲勞動作均可以用眼神操作加以替代，這使得用戶在虛擬場景中動作敏捷、反應迅速、判斷精準，只需瞄準目標即可完成對應操作，配合虛擬現實頭盔的頭動追蹤裝置，可有效降低用戶的肢體動作。此外，眼動跟蹤技術還可定義用戶虛擬形象，并增添眨眼等表情，為虛擬社交的生動演繹提供了途徑。

1.2 ?提升注視點分辨率

現階段，虛擬現實頭盔應用受阻的重要原因之一在于其價格高昂，這使得普通消費群體望而卻步，而虛擬現實頭盔成本高昂主要是由于其屏幕的高分辨率要求。就人眼視覺原理而言，個體在觀察目標物時僅僅集中在目標對象極小范圍的區域，對于遠離目標對象的區域往往選擇主動忽略。從這一角度來看，眼動跟蹤技術可根據用戶需求主動調節注視點區域高分辨度，對于遠離注視點的區域則逐級降低其分辨率，如此不僅保障了人眼對目標物體的觀察，還極大地降低了對顯示屏的硬性需求，有利于縮減虛擬現實頭盔的成本。

1.3 ?及時響應環境感知

在虛擬現實頭盔中，部分數據分析與操作需要一定的時間方可完成，如通過線上數據庫搜索目標，若用戶對特定方向進行掃視，要求人機交互前系統后臺就要成功讀取和分析數據。而眼動跟蹤技術所提供的數據預取功能無疑滿足了虛擬現實頭盔的自然交互需求，其不僅有效改善了用戶在沉浸式環境中的感知響應度，還為人機交互實時性的實現提供了技術支持，這對于移動數據網絡尤為有效。

2 ? 面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤系統

面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤系統，既要對該技術應用場景的差異性進行分析，又要構建整個眼動跟蹤系統平臺，還要在虛擬現實環境下精準追蹤和定位瞳孔，獲取瞳孔識別算法，并根據用戶佩戴頭盔的不適性進行注視點校正，眼動跟蹤系統設計架構如圖1所示。根據上述要求，需要構建虛擬現實硬件平臺、眼動跟蹤軟件模塊、圖像采集硬件模塊。其中，圖像采集、眼動跟蹤軟件兩大模塊為整個系統的重中之重，后者涉及眼圖處理模塊、視線估計模塊兩方面。

2.1 ?虛擬現實硬件平臺的搭建

硬件平臺負責提供三維空間模擬功能，為用戶打造沉浸式交互效果，其主要涉及VR眼鏡處理器、VR眼鏡視頻現實器、VR眼鏡外部結構3方面，既要確保所選處理器滿足視頻圖像處理性能要求，又要科學利用光學顯示模塊，還要確保結構設計滿足用戶佩戴舒適度要求。因此，本文選用樂相科技的大朋VR頭盔作為虛擬現實硬件平臺，其采用的CPU為三星Exynos 7420，使用ARM四核Cortex-A57、Cortex-A53，不僅沉浸效果佳，而且運算功能強，有助于保障交互過程的流暢性。不僅如此，該平臺采用的圖像處理器為MaliT760 MP8，頻率約772MHz，具有較強的圖像處理功能，加上屏幕高對比度和基于人體工程學的結構設計，不僅有效降低了畫面余暉，還有效提升了佩戴舒適度，滿足系統對硬件平臺的要求[1]。

2.2 ?圖像采集硬件模塊的實現

本文構建的是基于光反射類檢測算法、視頻圖形處理的眼動跟蹤系統，因而需要結合眼動環境差異科學選擇近紅外光源、CCD傳感器等，以構建強大的圖像采集硬件模塊，既不對用戶眼睛造成傷害，又能獲取高質量原始眼動圖像。為了提高用戶對圖像的識別效果，系統選擇采取波長為850 nm、輻射強度為350 mw/sr、直徑為5 mm、發射角度為 ? ? ? ?30?的近紅外光源作為環境光照的補充，該參數下的近紅外光源對人眼是安全的。對于紅外攝像頭的選型，本系統選擇的是對近紅外光線敏感的CCD攝像頭傳感器進行原始眼動圖像的獲取，該傳感器具有光照范圍廣、分辨率高等特點，加上虛擬現實頭盔對傳感器的體積要求，系統采用的是中星微S900超小型紅外攝像頭，為了確保眼動圖像光線的均勻性，附加6個紅外LED光源[2]。

2.3 ?眼動跟蹤軟件模塊的實現

該模塊是眼動跟蹤系統的最重要模塊，其主要包括眼圖處理模塊與視線估計兩大部分，前者負責對眼動圖像進行失真處理，并提取瞳孔的坐標位置，后者則根據獲取眼動數據將瞳孔坐標一一映射到屏幕坐標系，完成人眼注視點的估計。

眼球圖像的處理主要通過圖像預處理、眼圖區域檢測及特征提取、瞳孔中心定位等完成對人眼瞳孔的識別。其中，眼動圖像預處理涉及OpenCV對原始眼球圖像的濾波處理，還需借助直方圖均衡化增強圖像灰度值兼具，確保圖像的清晰度;眼圖區域檢測需要借助分水嶺思想對原始眼動圖像進行二值化分析，獲取最大穩定極值區域，再利用橢圓擬合對各區域進行處理，獲取穩定區域的特征并予以提取;最后采用穩定區域檢測與像素點、灰度特征相融合的方式對瞳孔進行精準定位。

眼動跟蹤的目標集中在人的視線方向，因此，視線估計模塊必不可少，可根據眼圖數據進行目光建模，確定人眼的視線方向與凝視點，再借助映射函數將圖像坐標中的點映射到屏幕坐標系中。為了實現視線估計，一方面需要結合已知眼動數據確定瞳孔坐標系、屏幕坐標系及二者關系，另一方面需要獲取實時眼動數據應用到求出坐標系的關系，繼而對人眼視線點進行即時測量，常用視線估計方法包括二維估計法、三維估計法，前者適用于能夠獲得穩定眼動數據的系統，后者則適用于多攝像機眼動跟蹤系統，應用時需根據設計要求靈活選擇[3]。

3 ? 結語

綜上，眼動跟蹤技術是虛擬現實頭盔的必備技術之一，對于緩解用戶肢體疲勞、提升注視點分辨率、增強人機交互效果、及時響應環境感知、提升虛擬現實頭盔的綜合性能意義重大。面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤系統構建需要結合系統設計目標及需求分析，開發和實現VR硬件平臺、圖像采集硬件、眼動跟蹤軟件三大模塊，然而，現階段面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤技術仍存在諸多不足之處，如采集瞳孔中心數據時因人眨眼頻率的不同，導致系統魯棒性較差，因此，還需進一步加強眼動跟蹤技術的研究，以持續改善虛擬現實頭盔的應用性能。

[參考文獻]

[1]]李永強.面向智能頭顯的眼動跟蹤技術的研究[D].廣州：廣東工業大學，2019.

[2]李永強.一種用于智能頭顯的眼動跟蹤系統[J].現代計算機，2019（13）：84-89.

[3]熊小峰.面向虛擬現實頭盔的眼動跟蹤系統研究[D].成都：電子科技大學，2017.

（編輯 王雪芬）